C++对象模型

C++对象模型

C++对象模型可以概括为以下2部分：

1.        语言中直接支持面向对象程序设计的部分

2.        对于各种支持的底层实现机制

语言中直接支持面向对象程序设计的部分，如构造函数、析构函数、虚函数、继承（单继承、多继承、虚继承）、多态等等，这也是组里其他同学之前分享过的内容。第一部分这里我简单过一下，重点在底层实现机制。

在c语言中，“数据”和“处理数据的操作（函数）”是分开来声明的，也就是说，语言本身并没有支持“数据和函数”之间的关联性。在c++中，通过抽象数据类型（abstract data type，ADT），在类中定义数据和函数，来实现数据和函数直接的绑定。

概括来说，在C++类中有两种成员数据：static、nonstatic；三种成员函数：static、nonstatic、virtual。

如下面的Base类定义：

Base类定义：

#pragma once #include<iostream> using namespace std; class Base { public:     Base(int);     virtual ~Base(void);       int getIBase() const;     static int instanceCount();     virtual void print() const;   protected:       int iBase;     static int count; };

Base类在机器中我们如何构建出各种成员数据和成员函数的呢？

在介绍C++使用的对象模型之前，介绍2种对象模型：简单对象模型（a simple object model）、表格驱动对象模型（a table-driven object model）。

简单对象模型（a simple object model）

所有的成员占用相同的空间（跟成员类型无关），对象只是维护了一个包含成员指针的一个表。表中放的是成员的地址，无论上成员变量还是函数，都是这样处理。对象并没有直接保存成员而是保存了成员的指针。

表格对象模型（a table-driven object model）

这 个模型在简单对象的基础上又添加了一个间接层。将成员分成函数和数据，并且用两个表格保存，然后对象只保存了两个指向表格的指针。这个模型可以保证所有的 对象具有相同的大小，比如简单对象模型还与成员的个数相关。其中数据成员表中包含实际数据；函数成员表中包含的实际函数的地址（与数据成员相比，多一次寻 址）。

C++对象模型

这个模型从结合上面2中模型的特点，并对内存存取和空间进行了优化。在此模型中，non static 数据成员被放置到对象内部，static数据成员， static and nonstatic 函数成员均被放到对象之外。对于虚函数的支持则分两步完成：

1.      每一个class产生一堆指向虚函数的指针，放在表格之中。这个表格称之为虚函数表（virtual table，vtbl）。

2.      每一个对象被添加了一个指针，指向相关的虚函数表vtbl。通常这个指针被称为vptr。vptr的设定（setting）和重置（resetting）都由每一个class的构造函数，析构函数和拷贝赋值运算符自动完成。

另外，虚函数表地址的前面设置了一个指向type_info的指针，RTTI（Run Time Type Identification）运行时类型识别是有编译器在编译器生成的特殊类型信息，包括对象继承关系，对象本身的描述，RTTI是为多态而生成的信息，所以只有具有虚函数的对象在会生成。

这个模型的优点在于它的空间和存取时间的效率；缺点如下：如果应用程序本身未改变，但当所使用的类的non static数据成员添加删除或修改时，需要重新编译。

模型验证测试

为了验证上述C++对象模型，我们编写如下测试代码。

模型验证测试：

void test_base_model() {     Base b1(1000);     cout << "对象b1的起始内存地址：" << &b1 << endl;     cout << "type_info信息：" << ((int*)*(int*)(&b1) - 1) << endl;     RTTICompleteObjectLocator str=         *((RTTICompleteObjectLocator*)*((int*)*(int*)(&b1) - 1));     //abstract class name from RTTI     string classname(str.pTypeDescriptor->name);     classname = classname.substr(4,classname.find("@@")-4);     cout << classname <<endl;     cout << "虚函数表地址：\t\t\t" << (int*)(&b1) << endl;     cout << "虚函数表 — 第1个函数地址：\t" << (int*)*(int*)(&b1) << "\t即析构函数地址：" << (int*)*((int*)*(int*)(&b1)) << endl;     cout << "虚函数表 — 第2个函数地址：\t" << ((int*)*(int*)(&b1) + 1) << "\t";     typedef void(*Fun)(void);     Fun pFun = (Fun)*(((int*)*(int*)(&b1)) + 1);     pFun();     b1.print();     cout << endl;     cout << "推测数据成员iBase地址：\t\t" << ((int*)(&b1) +1) << "\t通过地址取值iBase的值：" << *((int*)(&b1) +1) << endl;     cout << "Base::getIBase(): " << b1.getIBase() << endl;       b1.instanceCount();     cout << "静态函数instanceCount地址： " << b1.instanceCount << endl; }

根据C++对象模型，实例化对象b1的起始内存地址，即虚函数表地址。

l  虚函数表的中第1个函数地址是虚析构函数地址；

l  虚函数表的中第2个函数地址是虚函数print()的地址，通过函数指针可以调用，进行验证；

l  推测数据成员iBase的地址，为虚函数表的地址 + 1，((int*)(&b1) +1)；

l  静态数据成员和静态函数所在内存地址，与对象数据成员和函数成员位段不一样；

下面是测试代码输出：（从下面2个图验证了，上面的观点。）

注意：本测试代码及后面的测试代码中写的函数地址，是对应虚函数表项的地址，不是实际的函数地址。

图：测试代码输出结果

图：vs断点观察（注意看虚函数表中第一个函数的地址，名称与测试代码输出一致）

上面介绍并验证了基本的C++对象模型，引入继承之后，C++对象模型又